- •Якушевич Л. В.
- •ISBN 978-5-93972-638-2
- •http://shop.rcd.ru
- •Оглавление
- •Структура ДНК
- •1.1. Химический состав и первичная структура
- •1.2• Пространственная геометрия и вторичная структура
- •1.3. Силы, стабилизирующие вторичную структуру ДНК
- •1.3.1. Водородные взаимодействия
- •1.3.2. Стэкинговые взаимодействия
- •1.3.3. Дальнодействующие силы внутри и снаружи сахарофосфатного остова
- •1.3.4. Электростатическое поле ДНК
- •1.4. Полиморфизм
- •1.5. Третичная структура
- •1.5.1. Суперспираль
- •1.5.2. Структурная организация в клетках
- •1.6. Моделирование структуры ДНК
- •1.6.1. Общие замечания
- •1.6.2. Иерархия структурных моделей
- •1.7. Экспериментальные методы исследования структуры ДНК
- •Динамика ДНК
- •2.1. Общая картина внутренней подвижности ДНК
- •2.2. Крутильные и изгибные движения
- •2.3. Динамика оснований
- •2.3.1. Состояние равновесия
- •2.3.2. Возможные движения оснований
- •2.4. Динамика сахарофосфатного остова
- •2.4.1. Состояние равновесия
- •2.4.2. Возможные движения сахарофосфатного остова
- •2.5. Конформационные переходы
- •2.6. Движения, связанные с локальным разделением нитей
- •2.6.1. Раскрытие пар оснований вследствие вращения оснований
- •2.7. Моделирование динамики ДНК
- •2.7.2. Иерархия динамических моделей
- •2.8. Экспериментальные методы изучения динамики ДНК
- •2.8Д. Раман-спектроскопия
- •2.8.2. Рассеяние нейтронов
- •2.8.3. Инфракрасная спектроскопия
- •2.8.4. Водородно-дейтериевый (-тритиевый) обмен
- •2.8.5. Микроволновое поглощение
- •2.8.7. Эксперименты по переносу заряда
- •2.8.8. Эксперименты с отдельными молекулами
- •Функционирование ДНК
- •3.1. Физические аспекты функционирования ДНК
- •3.2. Интеркаляция
- •3.3. Белок-нуклеиновое узнавание
- •3.4. Экспрессия генома
- •3.5. Регуляция генной экспрессии
- •3.6. Репликация
- •Линейная теория ДНК
- •4.1. Основные математические модели
- •4.1.1. Линейная модель упругого стержня
- •4.1.1.1. Продольные и крутильные движения: дискретный случай
- •4.1.1.3. Изгибные движения
- •4.1.2. Линейная модель двойного упругого стержня
- •4.1.2.1. Дискретный случай
- •4Л.2.2. Непрерывный случай
- •4.1.3. Линейные модели более высоких уровней иерархии
- •4.1.3.1. Модели третьего уровня
- •4.1.3.2. Модели четвертого уровня (решеточные модели)
- •4.2. Статистика линейных возбуждений
- •4.2.1. Фононы в модели упругого стержня
- •4.2.1.1. Общее решение модельных уравнений
- •4.2.1.2. Представление вторичного квантования
- •4.2.1.3. Корреляционные функции
- •4.2.2. Фононы в модели двойного стержня
- •4.2.2.1. Общее решение модельных уравнений
- •4.2.2.2. Представление вторичного квантования
- •4.2.2.3. Корреляционные функции
- •4.2.3. Фононы в моделях более высокого уровня
- •4.3. Задача рассеяния
- •4.3.1. Рассеяние на «замороженной» ДНК
- •4.3.2. Упругое рассеяние
- •4.3.3. Неупругое рассеяние
- •4,4. Линейная теория и эксперимент
- •4.4.1. Флуоресцентная деполяризация
- •Нелинейная теория ДНК. Идеальные динамические модели
- •5.1. Нелинейное математическое моделирование: основные принципы и ограничения
- •5.2. Нелинейные модели упругого стержня
- •5.2.1. Модель Муто
- •5.2.2. Модель Христиансена
- •5.2.3. Модель Ичикавы
- •5.3. Нелинейные модели двойного упругого стержня
- •5.3.1. Общий случай: гамильтониан
- •5.3.2. Общий случай: динамические уравнения
- •5.3.ЗЛ. Дискретный случай
- •5.3.3.3. Линейное приближение
- •5.3.3.4. Первый интеграл
- •5.3.3.5. Решения в виде кинков, полученные методом Ньютона
- •5.3.3.6. Решения в виде кинков, найденные методом Херемана
- •5.3.4. Модель Пейарда и Бишопа
- •5.3.6. Модель Барби
- •5.3.7. Модель Кампы
- •5.4. Нелинейные модели более высоких уровней иерархии
- •5.4.1. Модель Крумхансла и Алекзандер
- •5.4.2. Модель Волкова
- •Нелинейная теория ДНК: неидеальные модели
- •6.1. Модели, учитывающие влияние окружающей среды
- •6.1.2. Частные примеры
- •6.1.3. ДНК и термостат
- •6.2. Модели, учитывающие неоднородность ДНК
- •6.2.1. Граница
- •6.2.2. Локальная область
- •6.2.3. Последовательность оснований
- •6.3. Модели, учитывающие спиральность ДНК
- •6.4. Модели, учитывающие асимметрию ДНК
- •Нелинейная теория ДНК: статистика нелинейных возмущений
- •7.1. ПБД-подход
- •7.2. Приближение идеального газа
- •7.3. Задача рассеяния и нелинейные математические модели
- •7.3.1. Динамический фактор для простой модели синус-Гордона
- •7.3.2. Динамический фактор для спиральной модели синус-Гордона
- •Экспериментальные исследования нелинейных свойств ДНК
- •8.1. Водородно-дейтериевый (-тритиевый) обмен
- •8.2. Резонансное микроволновое поглощение
- •8.3. Рассеяние нейтронов и света
- •8.3.2. Интерпретация Баверстока и Кундалла
- •8.4. Флуоресцентная деполяризация
- •9.1. Нелинейный механизм конформационных переходов
- •9.2. Нелинейные конформационные волны и эффекты дальнодействия
- •9.3. Нелинейные механизмы регуляции транскрипции
- •9.4. Направление процесса транскрипции
- •9.5. Нелинейная модель денатурации ДНК
- •Математическое описание крутильных и изгибных движений
- •Литература
- •Предметный указатель
1.7.Экспериментальные методы исследования структуры ДНК
Для изучения структуры молекулы ДНК исследователи использу ют различные математические, физические, химические и биохимиче ские методы, а также их комбинации. Сама история открытия структу ры ДНК дает нам впечатляющий пример, иллюстрирующий успешное применение совокупности этих методов. Основные события, приведшие к этому открытию, состояли в следующем.
Предположение о том, что ДНК существует в виде довольно тон ких жестких волокон с диаметром, приблизительно равным 20 А, и дли ной, равной многим тысячам ангстрем, было выдвинуто после физико химических исследований, включающих седиментацию и измерения рас сеяния света [122,123]. Эти непрямые заключения были подтверждены затем электронными микрофотографиями [124,125].
Источником более детальной информации о конфигурации атомов внутри волокон стал рентгеноструктурный анализ. Так, в 1951 Фунрберг опубликовал первые данные о кристаллической структуре цитидина [126]. Его результаты были получены рентгеновским методом. Карты электронной плотности рассчитывались в то время вручную. Сейчас су ществуют мощные компьютерные вычислительные методы, которые вме сте с данными спектроскопии позволяют получать структуры различных фрагментов ДНК на атомарном уровне.
Дальнейшие исследования структуры ДНК были продолжены Дек кером, Михельсоном и Тоддом, которые при помощи химических методов показали, что линейный полимер молекулы ДНК состоит из нуклеоти дов, связанных друг с другом 3'-, 5'-фосфодиэфирными связями [127]. Дополнительная информация была получена в работе Чаргаффа и соав торов [67], где было показано, что в различных молекулах соотношения А/Т и G/С равны 1.
Кристаллографические исследования волокон ДНК, проведенные Аустбури [128], показали, что пары оснований А-Т или G-С упако вываются одна над другой и расстояние между ними равно 3.4 А. Из данных по химическому титрованию, полученных Гуллендом [129], был сделан вывод о том, что основания в ДНК связаны друг с другом при помощи водородных связей. Наконец, дополнительные кристаллографи ческие данные, полученные Уилкинс [101], показали, что ДНК обладает спиральной структурой, способной изменять свою конформацию при из менении параметров среды, таких как гидратация, температура, концен-
трация определенных ионов. Вся эта информация была собрана и про анализирована Утсоном и Криком [68,69]. И, как результат, ими была предложена модель двойной спирали ДНК, которая объясняла все пре дыдущие экспериментальные данные. Более того, она давала простое объяснение основным особенностям функционирования ДНК. Это от крытие дало импульс интенсивному развитию биохимии, молекулярной биологии и генетики. Оно было отмечено Нобелевской премией в 1962 и подробно описано в книге Уотсона «Двойная спираль» [130].
Кроме экспериментальных методов, упомянутых выше, для изуче ния структуры ДНК используются и многие другие методы, включая хорошо известные физические методы, такие как ЯМР, инфракрасная, рамановская и нейтронная спектроскопия. Они позволяют получить по дробную информацию о структуре ДНК, о полиморфизме молекулы, о зависимости структуры от последовательности оснований и от окру жения и т. д. Такая информация суммируется на специальных интерне товских сайтах, и адреса многих из них описаны в специальном выпуске журнала Nucleic Acids Research [131].